پایان نامه طراحی و ساخت سامانه اندازه¬گیری دمای چند کاناله با قابلیت¬های ذخیره¬سازی، پردازش، نمایش و ارسال از طریق شبکه

پایان نامه جهت اخذ مدرک  کارشناسی ارشد برق گرایش الکترونیک

چکیده

اندازه­گیری و کنترل دقیق دما در سیستم­های صنعتی و پژوهشی از اهمیت ویژه­ای برخوردار است و کارکرد صحیح برخی ابزارهای صنعتی و آزمایشگاهی فقط در محدوده مکانی مشخص با تعداد کانال کم (حداکثر 8 کانال) امکان پذیر می­باشد. بنابراین تصمیم به ساخت سامانه اندازه­گیری دمای 64 کاناله با اهداف اندازه­گیری با دقت حداکثر 0.25 درجه سانتی­گراد، پراکندگی در فضایی به وسعت حداکثر 900 متر (بسته به نوع کابل متغیر است)، اندازه­گیری 64 کانال در حداکثر زمان 1 ثانیه، نمایش دقیق دما در رایانه و امکان بارگذاری داده­ها را گرفتیم.

این  سامانه از میکروکنترلر قدرتمند ARM7 برای انجام محاسبات لازم و ارتباط بین دو شبکه قدرتمند و معروف TCP/IP و RS485 استفاده کرده و برای اندازه­گیری دما و بسته­بندی آن از میکروکنترلر AVR استفاده می­کند. هر میکروکنترلر AVR در بردهای جانبی، دمای 4 ترموکوپل را اندازه می­گیرد و آن­ها را در قالب خاصی بسته بندی کرده و به صورت همزمان به برنامه رایانه­ای ارسال می­کند، همچنین یک نرم­افزار کامپیوتری قدرتمند برای این سامانه نوشته شده است که کارهای نمایش، ذخیره­سازی، بارگذاری و پردازش­های مختلف را انجام می­دهد. برای ارزیابی دقت و عملکرد، سامانه را در مدت زمان­های طولانی (2 تا 3 روز) روی تست قرار دادیم که نتایج مطلوبی حاصل شد. این سامانه دارای دقت و رنج دمایی مناسبی است، بنابراین می­توان از آن در ساختمان­های صنعتی، گلخانه­ها، مراکز پروش طیور و کارهای پژوهشی استفاده کرد.

این سامانه در حال حاضر برای اندازه­گیری دمای ترموکوپل نوع K طراحی شده است، اما می­توان با کمی تغییر در بردهای جانبی، مقدار هر نوع سنسوری را خواند (داده­های آن را به دیجیتال تبدیل کرد) و آن­ها را در بسته­بندی خاصی که برای داده­ها در نظر گرفته شده به برنامه تحت رایانه ارسال کرد. هم­چنین می­توان در این سامانه با تغییرات جزئی در بردهای جانبی و برنامه کامپیوتری آن را به یک سامانه کنترلی نیز تبدیل کرد.

کلمات کلیدی

ذخیره­سازی دما (Temperature Dataloger)، نمایش دما (Displaying Temperature)، پردازش روی سیگنال دما (Processing on Temperature Signal)، اِترنت (Ethernet)، فیلتر دیجیتال (Digital Filter)

پیشگفتار

ابزار­های اندازه­گیری و ثبت کمیت­های فیزیکی، در صنعت آزمایشگاه و استفاده­های عمومی کاربرد بسیاری دارند. امروزه پیشرفت فناوری و استفاده از قطعات الکترونیکی، علاوه بر سهولت در استفاده از ابزار­ها، دقت بسیار بالا و صرفۀ اقتصادی بیشتری را نیز با خود به همراه داشته­اند.

همان­طور که از موضوع این پروژۀ مقطع کارشناسی ارشد پیداست، سامانه­ای برای اندازه­گیری دما با روش خاص طراحی و ساخته شده است. برای اندازه­گیری این کمیت فیزیکی، روش­های بسیار متنوعی وجود دارند و ما روش اندازه­گیری توسط ترموکوپل را انتخاب نموده­ایم، روشی که در صنعت به شکل گسترده­ای استفاده می­شود. این پروژه شامل دو بخش سخت­افزاری و نرم­افزاری می­باشد که در بخش سخت­افزاری سعی بر آن بوده تا از تراشه­های رایج در بازار استفاده گردد و برای ارتباط بخش­های مختلف سخت افزار با یکدیگر، از روش­های استاندارد ارتباطی میان تراشه­های الکترونیکی استفاده شده است. برای تحلیل، نمایش، ثبت اطلاعات، بارگذاری و همچنین کنترل عملکرد بخش سخت­افزار، نرم­افزار پیچیده­ای در محیط LabVIEW طراحی شده است.

از آن­جایی که بدون شک این سامانه اشکالات و کمبود­های خود را دارا است، از تمام شما اساتید، علاقمندان و دانشجویان درخواست می­شود تا با انتقادات و پیشنهادات خود در مورد عیوب و کمبود­های احتمالی نرم­افزاری و سخت­افزاری، بنده را در بهبود نسخه­های بعدی این سامانه یاری فرمائید.

مفهوم دما

از نظر فیزیکی، گرما مقداری از انرژی ذاتی یک جسم است که در اثر حرکت تصادفی مولکول­ها و اتم­های آن به وجود می‌آید. برای مثال همان گونه که افزایش سرعت توپ تنیس باعث افزایش انرژی آن می‌شود، انرژی درونی یک جسم نیز با افزایش دما افزایش می‌یابد. دما پارامتری است که با پارامترهای دیگر مانند جرم و نظایر آن، میزان انرژی یک جسم را بیان می‌کند.

استاندارد اولیه دما، کلوین می­باشد. در صفر درجه کلوین کلیه مولکول­های یک ماده در استراحت کامل هستند. آن­ها در این حالت دیگر هیچ انرژی گرمایی از خود نداشته و این بدان معنی است که در این حالت دمای منفی‌تری نخواهیم داشت زیرا سطح انرژی مولکول­ها از این پایین‌تر نخواهد رفت.

1-2- تاریخچه اندازه‌گیری دما[2]

در سال 1592 میلادی تعریف صحیحی از دما وجود نداشت. دانشمندی ایتالیایی به نام گالیله دست به سلسله آزمایشاتی زده و توانست دستگاه دماسنجی متشکل از یک حباب، یک تیوب شیشه‌ای متصل به آن و یک ظرف پر از آب که تیوب در آن قرار می‌گرفت را بسازد (شکل 1-1). به گونه‌ای که درون حباب شیشه‌ای پر از هوا بوده و در اثر گرم ‌شدن هوای محبوس درون این حباب، فشاری به ستون آب درون تیوب وارد‌ آمده و آب را به طرف پایین حرکت می‌داد.

شکل 1-1: دماسنج گالیله

جابجایی سطح آب درون تیوب شیشه‌ای متناسب با دما بوده و به این ترتیب گالیله می‌توانست دما را اندازه‌گیری کند. اما یک اشکال بزرگ در کار این نوع دماسنج جلوه می‌نمود و آن اینکه بالا یا پایین آمدن سطح مایع تنها به علت حرارت یا برودت هوا صورت نمی‌گرفت. بلکه عوامل دیگری مانند تغییرات فشار جوی نیز در این کار سهیم بودند که دقیق نبودن دماسنج گالیله را آشکار می‌ساخت.

در سال ۱۶۳۱ ری، تغییراتی را در دما­نِگار گالیله پیشنهاد کرد. پیشنهاد وی همان بطری وارونه گالیله بود که در آن فقط سرد و گرم شدن از روی انقباض و انبساط آب ثبت می‌شد.

در سال ۱۶۳۵ دوک فردینالند توسکانی، که به علوم علاقه‌مند بود دماسنجی ساخت که در آن از الکل (که در دمایی خیلی پایین‌تر از دمای آب یخ می‌بندد) استفاده کرد و سر لوله را چنان محکم بست که الکل نتواند تبخیر شود. سرانجام در سال ۱۶۴۰ دانشمندان آکادمی لینچی در ایتالیا نمونه‌ای از دماسنج‌­های جدیدی را ساختند که در آن جیوه به کار برده و هوا را دست کم تا حدودی از قسمت بالای لوله بسته خارج کرده بودند. توجه به این نکته جالب است که در حدود نیم قرن طول کشید تا دماسنج کاملاً تکامل یافت.

به دنبال کشف دماسنج گابریل دانیل فارنهایت دانشمند هلندی در قرن هفدهم نوعی دماسنج گازی و الکلی ساخت که با دقت اندازه‌گیری بیشتری می‌تواند دمای هوا را اندازه‌گیری کند. او به سال ۱۷۱۴ میلادی دماسنج جیوه‌ای را طراحی و با ضریب دقت بالایی با شیوه‌ای خاص درجه‌بندی نمود. فارنهایت نتایج تحقیقات خود را در سال ۱۷۲۴ میلادی منتشر ساخت. او همچنین یک مقیاس خاص را برای گرما تعریف کرد که بعدها و حتی تا به امروز به نام او ماندگار‌ شد. او برای تعیین درجه صفر، مبنای خود از سرمای زمستان سال 1709 میلادی الهام گرفت و ترکیبی از یخ، آمونیوم کلراید جامد و آب را به کار ‌برد. با انتخاب این صفر، او امیدوار بود که دیگر دماهای منفی‌تری نخواهد‌ داشت.

در سال 1742 میلادی سلسیوس سوئدی اعلام کرد که به جای مقیاس حرارتی فارنهایت مقیاس ساده‌تر و کاربردی‌تری کشف کرده ‌است. او دو نقطه خاص که در هر جای دنیا قابل تولید بودند را مرجع کار خود قرار ‌داد. یکی نقطه ذوب یخ صفر درجه سانتی­گراد و یکی نقطه جوش آب 100 درجه سانتی­گراد بود. او فاصله بین آن­ها را به صد قسمت مساوی تقسیم‌ کرد و این امر باعث شد که هر ترمومتری به سادگی در این دو نقطه (0 و 100 درجه سانتی­گراد) قابل تنظیم وکالیبره‌ شدن باشد.

1-3- واحدهای اندازه­گیری دما

 درجه سلسیوس (Celsius): مقیاس علمی متداولی است که در آن صفر درجه، نقطۀ انجماد آب و صد درجه نقطه جوش آب در فشار یک اتمسفر است.

درجۀ فارنهایت (Fahrenheit): منشأ این مقیاس دقیقاً روشن نیست ولی گزارش شده است که صفر فارنهایت از قرار دادن حباب دماسنج در مخلوطی از یخ و کلرو آمونیوم حاصل شده است و بالاترین نقطۀ این مقیاس دمای شروع جوشش جیوه است؛ بین این دو دما به ۶۰۰ درجه تقسیم شده است که نقطۀ انجماد آب ۳۲ درجه و نقطۀ جوش آب ۲۱۲ درجۀ فارنهایت می­باشد.

درجه کلوین (kelvin): در سیستم SI دمای مطلق را برحسب درجۀ کلوین اندازه­گیری می­کنند. در حقیقت صفر مطلق در مقیاس کلوین ۲۷۳- درجه سلسیوس است که توسط مخترع آن لرد کلوین در نظر گرفته شده، این دما پایین­ترین دمای ممکن است و در این دما انرژی جنبشی مولکول­ها به صفر می­رسد.

از روابط زیر می­توان برای تبدیل واحدهای دما استفاده کرد:

 (°C  + ۲۷۳) = °K.                                                                                                 (1-1)

 (°C  × ۱.۸)+ ۳۲ = °F.                                                                                           (1-2)

1-4- انواع روش­های اندازه­گیری دما

دو روش عمده برای اندازه­گیری درجه حرارت وجود دارد:

1-4-1- اندازه­گیری دما با استفاده از مبدل­های غیرالکتریکی

1-4-1-1- ترمومترها (حرارت سنج­های محتوی سیال)

1-4-1-1-1- حرارت سنج­های محتوای مایعات: اساس کار این نو ع حرارت سنج­ها رابطۀ بین دما و حجم مایع می­باشد.

VT = V0 (1+ αT + βT2 +…).                                                                                   (1-3)

مایع مورد استفاده در این نوع دستگاه­ها عموماً الکل، هیدرو­کربن­ها و جیوه می­باشد. از آن­جا که درجه­بندی از طریق رویت قرائت می­شود، برای قرائت و حتی محدوده مقدار بالای قرائت محدودیت­هایی وجود دارد، زیرا در درجات بالاتر از نقطۀ جوش مایع بخار تولید شده، فشار متناسب با خود ایجاد می­کند که موجب اشتباه در قرائت می­گردد (شکل 1-2).

شکل 1-2: حرارت سنج محتوی مایعات

1-4-1-1-2- حرارت سنج­های محتوی گاز: برای گازها در حجم ثابت و درجه حرارت متفاوت، رابطه بین دما و فشار تقریباً به صورت زیر می­باشد.

 .                                                                                                                           (1-4)

در حرارت سنج­های محتوی گاز (شکل 1-3) می­توان با دقت کافی، از این رابطه استفاده نمود. در حرارت سنج­های محتوی گاز عموماً از ازت و هلیوم استفاده می­گردد.

شکل 1-3:  حرارت سنج محتوی گاز

1-4-1-1-3- حرارت سنج­های محتوی بخار: فشار بخار یک مایع، تابعی از درجه حرارت آن می­باشد؛ از این خاصیت در حرارت سنج­های صنعتی (شکل 1-4) استفاده می­گردد. سرعت زیاد پاسخ، قیمت کم، سادگی تعمیرات از مزایای این وسیله می­باشد.

مایعات مورد استفاده در این نوع حرارت سنج ها الکل، اتر، متیل کلراید، سولفور و تولوئن می­باشد.

شکل 1-4:  حرارت سنج محتوی بخار

1-4-1-2- حرارت سنج­های بی­متال

در مواردی که نیاز به قرائت دما بطور مرتب نمی­باشد و کنترل دما صرفاً جهت اطمینان از عملکرد سیستم به کار می­رود، حرارت­های بی­متال (شکل 1-5) مورد استفاده می­گیرد. اختلاف انبساط دو فلز تشکیل دهنده این دستگاه در اثر حرارت معیار عملکرد دستگاه می­باشد. از آن­جا که ضریب انبساط فلزات تشکیل دهنده عنصر حساس بی­متال کاملاً خطی نیست، درجه­بندی این نوع حرارت سنج­ها نیز خطی نمی­باشد.

شکل 1-5:  حرارت سنج بی­متال

1-4-1-3- پیرومترها

در میان وسایل اندازه­گیری درجۀ حرارت، پیرومترهای تشعشعی و نوری بزرگترین محدوده اندازه­گیری را دارند و برخلاف سایر وسایل نیازی به اتصال فیزیکی با جسم مورد اندازه­گیری را ندارند. اساس کار این نوع وسیله به صورت زیر است:

در پیرومترهای نوری (شکل 1-6) مقایسۀ دو رنگ، یکی متعلق به جسم گداخته شده و دیگری متعلق به مقاومت الکتریکی یا فیلامان پیرومتر مبنای تعیین درجۀ حرارت جسم گداخته شده می­باشد. با منطبق کردن چشمی از داخل تلسکوپ پیرومتر بر روی جسم گداخته شده و تغییر شدت جریان فیلامان توسط پتانسیومتر به ترتیبی که باعث محو و عدم تشخیص آن در زمینۀ جسم گداخته گردد، درجۀ حرارت مجهول جسم گداخته شده برابر درجه حرارت معلوم فیلامان خواهد بود.

شکل 1-6: پیرومتر نوری

در پیرومتر تشعشعی (شکل 1-7) انرژی ساطع شده از جسم گرم را توسط یک لنز و یا یک مجموعه آینه بر روی عنصر حسگر دما متمرکز می­کنند. این عنصر می­تواند مقاومت حساس یا ترموکوپل باشد. در نتیجه برخلاف پیرومتر نوری که باید به صورت دستی تنظیم یا قرائت گردد، پیرومتر تشعشعی قابل استفاده به صورت اتوماتیک می­باشد.

شکل 1-7: پیرومتر تشعشعی

1-4-2- اندازه­گیری دما با استفاده از مبدل­های الکتریکی

1-4-2-1- ترمیستور

ترمیستور نوعی مقاومت حساس به دما است که به وسیلۀ تغییرات دمایی، مقاومتش تغییر می کند. در واقع با اندازه­گیری مقاومت یک ترمیستور (شکل 1-8)، می توان دمای آن را تعیین نمود؛ به همین دلیل این ابزار به عنوان سنسور دما مورد استفاده قرار می­گیرد. ترمیستورها معمولاً از مواد نیمه رسانا تشکیل شده­اند، از این رو در دماهای بالا، زودتر خراب شده و عمر کوتاه­تری دارند. مقاومت اغلب آن­ها با افزایش دما افزایش می­یابد. تغییر مقاومت ترمیستور توسط مدار پل وتستون اندازه­گیری می­گردد.

شکل 1-8: ترمیستور

1-4-2-2- ترموکوپل

ترموکوپل­ها از جمله ابزارهای پرکاربرد برای اندازه­گیری دما به شمار می­روند. این ابزار، متشکل از دو رشته سیم فلزی با جنس­های متفاوت است (شکل 1-9). این دو فلز غیر هم­جنس، از یک یا چند نقطه به یکدیگر متصل هستند، اعمال حرارت به نقطۀ اتصالی که در آن اندازه­گیری صورت می­گیرد؛ باعث به وجود آمدن اختلاف پتانسیل الکتریکی ضعیفی می­شود که به سختی می­توان به دقت اندازه گیری دمای کمتر از  رسید.

شکل 1-9: انواع ترموکوپل­ها

ترموکوپل بایستی به جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، کاملاً متصل شود. فلزات ترموکوپلی بطور کلی نسبت به قیمتی که دارند به دو گروه جداگانه تقسیم می‌شوند. این دو گروه ترموکوپل به ترموکوپل­های فلز پایه و ترموکوپل­های فلزات قیمتی معروفند.

امتیاز عمده ترموکوپل­ها محدوده وسیع اندازه­گیری آن­هاست که بطور اسمی از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتی­گراد را در برمی­گیرد. دیگر امتیاز ترموکوپل­ها، عملکرد خطی آن­ها در محدوده اندازه­گیری است.

ترموکوپل­ها اغلب برای مکان­هایی که قرار است رنج دمای بالا (تا ) را اندازه بگیرند استفاده می­شوند و برای رنج دمایی پایین و یا دقت بالا (برای مثال رنج دمایی بین 0 تا  با دقت ) از ترمیستورها و RTD ها استفاده می­شود.

1-4-2-2-1- اثر ترموالکتریک[6]

اولین بار ترموکوپل‌ در سال 1821 میلادی توسط سیبک (Seebeck) ساخته شد، بطوری ­که او دریافت، در اثر تماس دو فلز غیر هم­جنس و حرارت‌ دادن محل تماس، یک جریان الکتریکی کوچک ایجاد می‌شود (شکل 1-10).

ولتاژ ایجاد شده به جنس دو فلز و میزان حرارت در نقطه تماس بستگی دارد؛ هر یک از این دو فلز هادی با توجه به مولکول­ها و الکترون‌های آزادشان در ایجاد این ولتاژ مؤثرند، زمانی که هادی در اثر حرارت گرم می‌شود الکترون­های آن در اثر افزایش انرژی به حرکت و جنبش در می‌آید.

چنانچه در اثر افزایش حرارت یک سر هادی گرم شود این گرما به الکترون‌های آزاد منتقل شده و سرعت گردشی آن­ها بیشتر می‌شود و در نهایت الکترون‌ها از آن سر هادی که گرم شده است دور می‌شوند و به سمت دیگر هادی که سرد است منتقل می­شوند. به عبارتی آن سر از هادی که در معرض حرارت قرار گرفته مثبت و سر دیگر که خنک است و الکترون­ها در آن تجمع کرده‌اند قطب منفی می‌باشد (شکل 1-11).

شکل 1-11: انتقال حرارت در یک هادی

این مسئله علت انتقال گرما در یک فلز می­باشد؛ در اثر حرکت الکترون­های درون فلز نیز انرژی گرمایی در طول فلز منتقل می‌شود.

حال اگر یک فلز دیگر از همان جنس، در محل اتصال به فلز اولیه متصل شود در این فلز جدید نیز یک اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود ولی اختلاف پتانسیل ایجاد شده در هر دو فلز یکسان است. اگر ولتاژ انتهای آن­ها را اندازه بگیریم عملاً اختلاف پتانسیل صفر را مشاهده خواهیم کرد.

اگر یک فلز غیر هم­جنس با فلز اولیه را به آن متصل کنیم، اختلاف پتانسیل ایجاد شده در دو سر آزاد فلزها دیگر صفر نبوده و این اختلاف توسط یک دستگاه اندازه­گیری قابل مشاهده خواهدبود (شکل 1-12).

شکل 1-12: اتصال دو فلز غیر هم­جنس

1-4-2-2-2- روش­های استفاده و اندازه­گیری دما[7]

همان­طور که گفته شد، دو رشته سیم تشکیل دهندۀ ترموکوپل، در یک یا چند نقطه می­توانند به هم متصل شوند. در شکل 1-13 شمای ساده­ای از یک ترموکوپل را مشاهده می­کنید که در آن دو فلز با جنس­های متفاوت، در یک نقطه به یکدیگر متصل شده­اند. به این نقطه که در معرض حرارت قرار می­گیرد، اصطلاحاً اتصال گرم یا Hot junction گفته می­شود. دو سر دیگر سیم­های ترموکوپل به وسیلۀ اندازه­گیری الکتریکی، همانند تراشه­های ویژه (MAX6675)، ترمیستور، ولت متر و... متصل شده است؛ این نقطۀ نیز اتصال سرد (Reference junction یا Cold junction) نامیده می­شود.

شکل 1-13: اتصال سرد و گرم در ترموکوپل

ولتاژی که بین دو رشته سیم فلزی به وجود می­آید، به دمای نقطۀ اتصال سرد و اتصال گرم و جنس دو فلز بستگی دارد. از آن­جایی که ترموکوپل یک ابزار اندازه­گیری تفاضلی (Differential measurement) است، لازم است که دمای نقطۀ اتصال گرم نسبت به یک دمای مرجع سنجیده شود. این دمای مرجع همان دمای نقطه اتصال سرد است که باید با دقت بسیار خوبی بدست آید. اصطلاحاً به، بدست آوردن دمای نقطۀ مرجع، جبران سازی نقطۀ سرد (Cold-Junction Compensation)  اطلاق می­شود.

همچنین برای اندازه­گیری دمای یک ترموکوپل نمی­توان به صورت مستقیم سیم­های مولتی­متر را به ترموکوپل وصل کرد زیرا در محل اتصال دو سیم ترموکوپل و مولتی­متر یک حالت ترموالکتریک دیگری به وجود می­آید که باعث اندازه­گیری اشتباه می­شود، برای مثال در شکل 1-14 ترموکوپل نوع T را مشاهده می­کنید که به یک ولت متر متصل است و در نقاط اتصال J2 و J3 دو ولتاژ V2 و V3 به وجود آمده است.

شکل 1-14: مدار معادل اتصال مولتی­متر به ترموکوپل

چون در نقطه J3 هر دو فلز یکسان هستند طبق رابطه Seebeck ولتاژ V3=0 می­شود. در نتیجه ولت متر ولتاژ V1-V2 را می­خواند یا به عبارت دیگر به جای اندازه­گیری دمای J1 تفاضل دمای J1 و J2 را محاسبه می­کند. در نتیجه، تا وقتی که دمای J2 را نداشته باشیم دمای J1 را نمی­توانیم محاسبه کنیم.

شکل 1-15: مخلوط آب و یخ برای بدست آوردن ولتاژ V2

یک راه برای از بین بردن ولتاژ ایجاد شده در J2 این است که آن را مانند شکل 1-15 در مخلوط آب و یخ (نقطه اتصال سرد) قرار دهیم یا به عبارت دیگر، دمای نقطه J2 را به صفر درجه سانتی­گراد برسانیم در این حالت طبق روابط زیر می­توان گفت، ولتاژ اندازه­گیری شده برابر V1 است که در آن α ضریب Seebeck و مقدار آن در محدوده خطی تقریباً ثابت می­باشد.

                                                                                (1-5)

                                                                                             (1-6)

در رابطه بالا در واقع مقدار V2 صفر نمی­شود بلکه به یک مقدار ثابتی می­رسد که با آن می­توان دمای J1  را اندازه گرفت.

در ابتدا، برای اینکه دمای اتصال سرد، مقداری ثابت و معلوم باشد و نیازی به اندازه­گیری آن به وجود نیاید، مانند شکل 1-16 از مخلوط آب و یخ استفاده می­شد. به این ترتیب در این نقطه، دمای ثابت صفر درجه در اختیار بود. اما در واقع چنین روشی از نظر عملی دشوار بود. چرا که لزوماً همیشه نمی­توان در کنار سیستم اندازه­گیری خود از مخلوط آب و یخ استفاده نمود.

شکل 1-16: مخلوط آب و یخ به عنوان دمای مرجع

عموماً در استفاده از ترموکوپل، از اندازه­گیری دمای اتصال سرد یا همان دمای مرجع استفاده می­شود. ابزارهایی مانندRTD (Resistance Temperature Detector) ، دیودهای حساس به دما، و ترمیستور می­توانند این اندازه­گیری را با دقت بالا انجام دهند (شکل 1-17).

در تراشۀ MAX6675 که در بخش­های بعدی بطور مفصل در مورد آن توضیح داده شده است، از یک حسگر دیودی برای بدست آوردن دمای محیط استفاده می­شود.

شکل 1-17: اندازه­گیری دمای اتصال سرد

اختلاف ولتاژ به وجود آمده میان دو فلز، به تفاوت دمای اتصال گرم و اتصال سرد وابسته است. توسط کارخانه سازندۀ ترموکوپل، جدول یا نموداری شامل اختلاف ولتاژها و اختلاف دماهای متناظر ارائه می­شود (پیوست "الف" جدول ترموکوپل نوع K را نشان می­دهد)، که با توجه به آن و با اندازه­گیری دمای مرجع، دمای نقطۀ اتصال گرم بدست خواهد آمد.

1-4-2-2-3- ضریب سیبک[7]

شیب نمودار ولتاژ بر حسب دما، در یک نقطۀ بخصوص را خروجی ترموکوپل و همچنین ضریب Seebeck نیز می­گویند که دارای واحد فیزیکی   است.

بطور کلی، نمودار ولتاژ بر حسب دمای ترموکوپل­ها به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خود، شکلی غیرخطی دارند. به عبارتی دیگر، ضریب Seebeck یا خروجی ترموکوپل نسبت به تغییرات دما ثابت نیست. این مسأله باعث می­شود که رابطۀ دقیق و مستقیمی برای اندازه­گیری دما بر حسب اختلاف ولتاژ خروجی وجود نداشته باشد. شکل 1-18 تغییرات این ضریب بر حسب دما را، در بعضی از انواع ترموکوپل­ها نشان می­دهد. 

ABSTRACT

The accurate and precise measurement of temperature in industrial and research systems is of prime importance. These systems are usually limited in their channel numbers (e.g. 8 channels) and measurement area size. The aim of this project is to design and implement a 64 channels remote temperature measurement system with precision of 0.25 degree centigrade, distributed in a length of 900 meters (Variable according to the cable specifications). The sampling time of the mentioned system is defined by the operator with minimum of 1 second for all the channels. 

The hardware of the proposed system is composed of a microcontroller with ARM7 architecture as a gateway between RS485 data bus and Ethernet, plus combination of AVR microcontrollers and MAX6675 to measure and transmit the user selected temperatures.

The graphic user interface of the proposed system is written by labVIEW and is capable of adjusting the sampling time, selecting the channels; attributing a name to each channel, displaying of up to 10 channels, applying digital filters and recording data.    

Though the proposed system is designed for thermocouples of type K, and in the range of zero to 1024 degrees centigrade, but with some slight modifications could be generalized to a data logger.

Key words

Temperature measurement, Remote measurement, labVIEW, Data logger, RS485, Ethernet, TCP/IP, Digital Filter, Median Filter